Actualmente existen muchos grupos de investigación activos en el campo de la energía fotovoltaica en universidades e instituciones de investigación de todo el mundo. Esta investigación se puede clasificar en tres áreas: hacer que las células solares de la tecnología actual sean más baratas y/o más eficientes para competir eficazmente con otras fuentes de energía; desarrollar nuevas tecnologías basadas en nuevos diseños arquitectónicos de células solares; y desarrollar nuevos materiales que sirvan como convertidores de energía más eficientes de energía luminosa en corriente eléctrica o absorbentes de luz y portadores de carga.
Una forma de reducir el coste es desarrollar métodos más baratos para obtener silicio que sea suficientemente puro. El silicio es un elemento muy común, pero normalmente está ligado a sílice o arena de sílice . El procesamiento de sílice (SiO 2 ) para producir silicio es un proceso de muy alta energía: con las eficiencias actuales, una célula solar convencional tarda entre uno y dos años en generar tanta energía como la que se utilizó para fabricar el silicio que contiene. Los métodos de síntesis más eficientes energéticamente no sólo son beneficiosos para la industria solar, sino también para las industrias relacionadas con la tecnología del silicio en su conjunto.
La producción industrial actual de silicio se realiza mediante la reacción entre carbono (carbón vegetal) y sílice a una temperatura de alrededor de 1700 °C. En este proceso, conocido como reducción carbotérmica, cada tonelada de silicio (grado metalúrgico, con una pureza aproximada del 98%) se produce con la emisión de aproximadamente 1,5 toneladas de dióxido de carbono.
La sílice sólida se puede convertir (reducir) directamente en silicio puro mediante electrólisis en un baño de sales fundidas a una temperatura bastante suave (800 a 900 °C). [1] [2] Si bien este nuevo proceso es, en principio, el mismo que el proceso FFC Cambridge , que se descubrió por primera vez a finales de 1996, el interesante hallazgo de laboratorio es que dicho silicio electrolítico se encuentra en forma de silicio poroso que se convierte fácilmente en una fina polvo, con un tamaño de partícula de unos pocos micrómetros, y por lo tanto puede ofrecer nuevas oportunidades para el desarrollo de tecnologías de células solares.
Otro enfoque también consiste en reducir la cantidad de silicio utilizado y, por tanto, el coste, mediante el micromecanizado de obleas en capas muy finas y prácticamente transparentes que podrían utilizarse como revestimientos arquitectónicos transparentes. [3] La técnica consiste en tomar una oblea de silicio, normalmente de 1 a 2 mm de espesor, y hacer una multitud de cortes transversales paralelos a través de la oblea, creando una gran cantidad de astillas que tienen un espesor de 50 micrómetros y un ancho igual a la espesor de la oblea original. Estas rodajas se giran 90 grados, de modo que las superficies correspondientes a las caras de la oblea original se convierten en los bordes de las astillas. El resultado es convertir, por ejemplo, una oblea de 150 mm de diámetro y 2 mm de espesor que tiene una superficie de silicio expuesta de aproximadamente 175 cm2 por lado en aproximadamente 1000 astillas que tienen unas dimensiones de 100 mm x 2 mm x 0,1 mm, lo que produce una superficie total de silicio expuesta de aproximadamente 2000 cm2 por lado. Como resultado de esta rotación, el dopado eléctrico y los contactos que se encontraban en la cara de la oblea se ubican en los bordes de la cinta, en lugar de en la parte delantera y trasera como en el caso de las células de oblea convencionales. Esto tiene el interesante efecto de hacer que la célula sea sensible tanto desde la parte delantera como desde la parte trasera (una propiedad conocida como bifacialidad). [3] Utilizando esta técnica, una oblea de silicio es suficiente para construir un panel de 140 vatios, en comparación con las aproximadamente 60 obleas necesarias para los módulos convencionales de la misma potencia de salida.
Estas estructuras utilizan algunos de los mismos materiales absorbentes de luz de película delgada, pero están superpuestos como un absorbente extremadamente delgado sobre una matriz de soporte de polímero conductor u óxido metálico mesoporoso que tiene un área superficial muy alta para aumentar las reflexiones internas (y por lo tanto aumentar la probabilidad). de absorción de luz). El uso de nanocristales permite diseñar arquitecturas en la escala de longitud de nanómetros, la longitud típica de difusión de excitones. En particular, los dispositivos de un solo nanocristal ("canal"), una serie de uniones pn simples entre los electrodos y separadas por un período de aproximadamente una longitud de difusión, representan una nueva arquitectura para las células solares y una eficiencia potencialmente alta.
Las células fotovoltaicas de película delgada pueden utilizar menos del 1% de la costosa materia prima (silicio u otros absorbentes de luz) en comparación con las células solares basadas en obleas, lo que genera una caída significativa del precio por vatio de capacidad máxima. Hay muchos grupos de investigación en todo el mundo que investigan activamente diferentes enfoques y/o materiales de películas delgadas. [4]
Una tecnología particularmente prometedora son las películas delgadas de silicio cristalino sobre sustratos de vidrio. Esta tecnología combina las ventajas del silicio cristalino como material de células solares (abundancia, no toxicidad, alta eficiencia, estabilidad a largo plazo) con el ahorro de costes que supone el uso de un enfoque de película fina. [5] [6]
Otro aspecto interesante de las células solares de película fina es la posibilidad de depositar las células sobre todo tipo de materiales, incluidos sustratos flexibles ( PET por ejemplo), lo que abre una nueva dimensión para nuevas aplicaciones. [7]
En diciembre de 2014, el récord mundial de eficiencia de células solares del 46% se logró mediante el uso de células solares concentradoras de uniones múltiples , desarrolladas a partir de los esfuerzos de colaboración de Soitec , CEA-Leti , Francia, junto con Fraunhofer ISE , Alemania. [8]
El Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) ganó uno de los premios R&D 100 de la revista R&D por su célula fotovoltaica metamórfica multiunión , una célula ultraligera y flexible que convierte la energía solar con una eficiencia récord. [9]
La célula solar ultraligera y altamente eficiente fue desarrollada en NREL y está siendo comercializada por Emcore Corp. [10] de Albuquerque, Nuevo México , en asociación con la Dirección de Vehículos Espaciales de los Laboratorios de Investigación de la Fuerza Aérea en la Base de la Fuerza Aérea de Kirtland en Albuquerque.
Representa una nueva clase de células solares con claras ventajas en rendimiento, diseño de ingeniería, operación y costo. Durante décadas, las células convencionales han presentado obleas de materiales semiconductores con una estructura cristalina similar . Su rendimiento y rentabilidad se ven limitados al hacer crecer las células en una configuración vertical. Mientras tanto, las células son rígidas, pesadas y gruesas con una capa inferior hecha de germanio .
En el nuevo método, la célula se cultiva al revés. Estas capas utilizan materiales de alta energía con cristales de altísima calidad, especialmente en las capas superiores de la celda donde se produce la mayor parte de la energía. No todas las capas siguen el patrón reticular de espaciado atómico uniforme. En cambio, la celda incluye una gama completa de espaciado atómico, lo que permite una mayor absorción y uso de la luz solar. Se elimina la capa gruesa y rígida de germanio, lo que reduce el coste de la celda y el 94% de su peso. Al darle la vuelta al enfoque convencional de las células, el resultado es una célula ultraligera y flexible que también convierte la energía solar con una eficiencia récord (40,8% bajo una concentración de 326 soles).
La invención de los polímeros conductores (por los que Alan Heeger , Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa recibieron el premio Nobel ) puede conducir al desarrollo de células mucho más baratas basadas en plásticos económicos. Sin embargo, las células solares orgánicas generalmente sufren degradación al exponerse a la luz ultravioleta y, por lo tanto, tienen una vida útil demasiado corta para ser viables. Los enlaces en los polímeros siempre son susceptibles de romperse cuando se irradian con longitudes de onda más cortas. Además, los sistemas de dobles enlaces conjugados en los polímeros que transportan la carga reaccionan más fácilmente con la luz y el oxígeno . Por lo tanto, la mayoría de los polímeros conductores, al ser altamente insaturados y reactivos, son muy sensibles a la humedad atmosférica y a la oxidación, lo que dificulta las aplicaciones comerciales.
Los paneles solares experimentales sin silicio pueden estar hechos de heteroestructuras cuánticas , por ejemplo, nanotubos de carbono o puntos cuánticos , incrustados en polímeros conductores u óxidos metálicos mesoporosos. Además, las películas delgadas de muchos de estos materiales sobre células solares de silicio convencionales pueden aumentar la eficiencia del acoplamiento óptico en la célula de silicio, aumentando así la eficiencia general. Al variar el tamaño de los puntos cuánticos, las células se pueden sintonizar para absorber diferentes longitudes de onda. Aunque la investigación aún está en sus inicios, la energía fotovoltaica modificada con puntos cuánticos puede lograr hasta un 42% de eficiencia de conversión de energía debido a la generación de excitones múltiples (MEG). [11]
Investigadores del MIT han encontrado una manera de utilizar un virus para mejorar en un tercio la eficiencia de las células solares.
Muchas células solares nuevas utilizan películas delgadas transparentes que también son conductoras de carga eléctrica. Las películas delgadas conductoras dominantes que se utilizan actualmente en la investigación son óxidos conductores transparentes (abreviados "TCO") e incluyen óxido de estaño dopado con flúor (SnO 2 :F, o "FTO"), óxido de zinc dopado (p. ej.: ZnO:Al), y óxido de indio y estaño (abreviado "ITO"). Estas películas conductoras también se utilizan en la industria LCD para pantallas planas. La función dual de un TCO permite que la luz pase a través de una ventana de sustrato hasta el material activo absorbente de luz que se encuentra debajo, y también sirve como un contacto óhmico para transportar portadores de carga fotogenerados lejos de ese material absorbente de luz. Los materiales TCO actuales son eficaces para la investigación, pero quizás aún no estén optimizados para la producción fotovoltaica a gran escala. Requieren condiciones de deposición muy especiales en alto vacío, a veces pueden sufrir de resistencia mecánica deficiente y la mayoría tiene una transmitancia deficiente en la porción infrarroja del espectro (por ejemplo, las películas delgadas de ITO también se pueden usar como filtros de infrarrojos en las ventanas de los aviones). Estos factores encarecen la fabricación a gran escala.
Ha surgido un área relativamente nueva que utiliza redes de nanotubos de carbono como conductor transparente para células solares orgánicas . Las redes de nanotubos son flexibles y pueden depositarse en superficies de diversas formas. Con algún tratamiento, las películas de nanotubos pueden ser muy transparentes en el infrarrojo, lo que posiblemente permita células solares eficientes de baja banda prohibida. Las redes de nanotubos son conductores de tipo p, mientras que los conductores transparentes tradicionales son exclusivamente de tipo n . La disponibilidad de un conductor transparente tipo p podría conducir a nuevos diseños de celdas que simplifiquen la fabricación y mejoren la eficiencia.
A pesar de los numerosos intentos de fabricar mejores células solares utilizando materiales nuevos y exóticos, la realidad es que el mercado fotovoltaico sigue dominado por las células solares basadas en obleas de silicio (células solares de primera generación). Esto significa que la mayoría de los fabricantes de células solares están actualmente equipados para producir este tipo de células solares. En consecuencia, se está realizando una gran cantidad de investigaciones en todo el mundo para fabricar células solares basadas en obleas de silicio a un costo menor y aumentar la eficiencia de conversión sin un aumento exorbitante en el costo de producción. El objetivo final de los conceptos fotovoltaicos alternativos y basados en obleas es producir electricidad solar a un coste comparable al del carbón, el gas natural y la energía nuclear, actualmente dominantes en el mercado, para convertirla en la principal fuente de energía primaria. Para lograrlo, puede ser necesario reducir el costo de los sistemas solares instalados de aproximadamente 1,80 dólares EE.UU. (para tecnologías de Si a granel) a aproximadamente 0,50 dólares EE.UU. por vatio de potencia máxima. [12] Dado que una parte importante del costo final de un módulo tradicional de silicio a granel está relacionado con el alto costo de la materia prima de polisilicio de grado solar (alrededor de 0,4 dólares estadounidenses por vatio pico), existe un impulso sustancial para hacer que las células solares de Si sean más delgadas (ahorro de material). o fabricar células solares a partir de silicio metalúrgico mejorado y más barato (el llamado "Si sucio").
IBM tiene un proceso de recuperación de obleas semiconductoras que utiliza una técnica especializada de eliminación de patrones para reutilizar obleas semiconductoras de desecho en una forma utilizada para fabricar paneles solares a base de silicio. El nuevo proceso recibió recientemente el “Premio a la Prevención de la Contaminación Más Valioso 2007” de la Mesa Redonda Nacional de Prevención de la Contaminación (NPPR). [13]
Investigadores del Laboratorio Nacional de Idaho , junto con socios de Lightwave Power Inc. [14] en Cambridge, MA y Patrick Pinhero de la Universidad de Missouri , han ideado una forma económica de producir láminas de plástico que contienen miles de millones de nanoantenas que recolectan la energía térmica generada por la sun y otras fuentes, que obtuvo dos premios Nano50 en 2007. La empresa dejó de operar en 2010. Si bien aún es necesario desarrollar métodos para convertir la energía en electricidad utilizable, algún día las láminas podrían fabricarse como "pieles" livianas que impulsen todo, desde autos híbridos hasta computadoras y teléfonos móviles con mayor eficiencia que los tradicionales. células solares. Las nanoantenas apuntan a los rayos infrarrojos medios, que la Tierra irradia continuamente en forma de calor después de absorber energía del sol durante el día; Además, las láminas de nanoantenas de doble cara pueden recolectar energía de diferentes partes del espectro solar. Por el contrario, las células solares tradicionales sólo pueden utilizar luz visible, lo que las deja inactivas después del anochecer.
Desde 2012, el grupo de Roberto Germano en Promete srl [15] en Nápoles , Italia , está trabajando en el efecto Oxhidroeléctrico , que genera voltaje y corriente eléctrica en agua líquida pura, después de crear una asimetría física (no química) en el agua líquida, por ejemplo. gracias a un polímero fuertemente hidrófilo , como es el Nafion . [16] [17]
El Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST) de Japón ha logrado desarrollar una célula solar transparente que utiliza luz ultravioleta (UV) para generar electricidad pero permite que la luz visible la atraviese. La mayoría de las células solares convencionales utilizan luz visible e infrarroja para generar electricidad. Utilizado para reemplazar el vidrio de ventana convencional, la superficie de instalación podría ser grande, lo que daría lugar a usos potenciales que aprovechan las funciones combinadas de generación de energía, iluminación y control de temperatura.
Este sistema transparente de absorción de rayos UV se logró mediante el uso de una heteroestructura orgánica e inorgánica hecha de una película de polímero semiconductor tipo p PEDOT:PSS depositada sobre un sustrato de titanato de estroncio dopado con Nb . PEDOT:PSS se fabrica fácilmente en películas delgadas debido a su estabilidad en el aire y su solubilidad en agua. Estas células solares sólo se activan en la región UV y dan como resultado un rendimiento cuántico relativamente alto del 16% de electrón / fotón . El trabajo futuro en esta tecnología implica sustituir el sustrato de titanato de estroncio por una película de titanato de estroncio depositada sobre un sustrato de vidrio para lograr una fabricación de gran superficie y bajo coste. [18]
Desde entonces, se han descubierto otros métodos para incluir las longitudes de onda UV en la generación de energía de las células solares. Algunas empresas informan que utilizan nanofósforos como revestimiento transparente para convertir la luz ultravioleta en luz visible. [19] Otros han informado que se extiende el rango de absorción de las células fotovoltaicas de unión simple dopando un semiconductor transparente de banda prohibida ancha , como GaN, con un metal de transición como el manganeso . [20]
La investigación sobre células solares flexibles es una tecnología de nivel de investigación, un ejemplo de la cual se creó en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en la que las células solares se fabrican depositando material fotovoltaico sobre sustratos flexibles, como el papel ordinario, utilizando tecnología de deposición química de vapor . [21] La tecnología para fabricar células solares en papel fue desarrollada por un grupo de investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias y el Programa Fronteras Solares de la Alianza Eni-MIT.
Se están desarrollando células solares tridimensionales que capturan casi toda la luz que incide sobre ellas y podrían aumentar la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos al tiempo que reducen su tamaño, peso y complejidad mecánica. Las nuevas células solares 3D, creadas en el Georgia Tech Research Institute , capturan fotones de la luz solar utilizando una serie de estructuras de "torres" en miniatura que se asemejan a edificios de gran altura en una cuadrícula de calles de la ciudad. [22] [23] [24] Solar3D, Inc. planea comercializar este tipo de células 3D, pero su tecnología está actualmente pendiente de patente. [25]
Los concentradores solares luminiscentes convierten la luz solar u otras fuentes de luz en frecuencias preferidas; concentran la producción para convertirla en formas deseables de energía, como la electricidad. Se basan en la luminiscencia , típicamente fluorescencia , en medios como líquidos, vidrios o plásticos tratados con un recubrimiento o dopante adecuado . Las estructuras están configuradas para dirigir la salida desde una gran área de entrada a un pequeño convertidor, donde la energía concentrada genera fotoelectricidad . [26] [27] [28] El objetivo es recolectar luz en un área grande a bajo costo; Los paneles concentradores luminiscentes se pueden fabricar de forma económica a partir de materiales como vidrio o plástico, mientras que las células fotovoltaicas son dispositivos de alta precisión y alta tecnología y, en consecuencia, costosos de construir en grandes tamaños.
Se están realizando investigaciones en universidades como la Universidad Radboud de Nijmegen y la Universidad Tecnológica de Delft . Por ejemplo, en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, los investigadores han desarrollado métodos para convertir ventanas en concentradores de luz solar para generar electricidad. Pintan una mezcla de tintes sobre un panel de vidrio o plástico. Los tintes absorben la luz solar y la reemiten como fluorescencia dentro del vidrio, donde queda confinada por reflexión interna , emergiendo en los bordes del vidrio, donde encuentra células solares optimizadas para la conversión de esa luz solar concentrada. El factor de concentración es de aproximadamente 40 y el diseño óptico produce un concentrador solar que, a diferencia de los concentradores basados en lentes, no necesita dirigirse con precisión al sol y puede producir salida incluso con luz difusa. Covalent Solar está trabajando en la comercialización del proceso. [29]
Los metamateriales son materiales heterogéneos que emplean la yuxtaposición de muchos elementos microscópicos, dando lugar a propiedades que no se ven en los sólidos ordinarios. Con su uso, será posible diseñar células solares que sean excelentes absorbentes en una gama estrecha de longitudes de onda. Se ha demostrado una alta absorción en el régimen de microondas, [30] [31] pero aún no en el régimen de longitud de onda de 300-1100 nm.
Algunos sistemas combinan fotovoltaica con solar térmica, con la ventaja de que la parte solar térmica aleja el calor y enfría las células fotovoltaicas. Mantener la temperatura baja reduce la resistencia y mejora la eficiencia de la celda. [32]
Se afirma que la energía fotovoltaica basada en pentaceno mejora la relación de eficiencia energética hasta en un 95%, duplicando efectivamente la eficiencia de las técnicas más eficientes de la actualidad. [33]
La energía fotovoltaica de banda intermedia en la investigación de células solares proporciona métodos para superar el límite de Shockley-Queisser sobre la eficiencia de una célula. Introduce un nivel de energía de banda intermedia (IB) entre las bandas de valencia y conducción. Teóricamente, la introducción de un IB permite que dos fotones con energía menor que la banda prohibida exciten un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción . Esto aumenta la fotocorriente inducida y, por tanto, la eficiencia. [34]
Luque y Martí derivaron por primera vez un límite teórico para un dispositivo IB con un nivel de energía intermedio utilizando un equilibrio detallado . Asumieron que no se recogieron portadores en el IB y que el dispositivo estaba en plena concentración. Descubrieron que la eficiencia máxima era del 63,2%, para una banda prohibida de 1,95eV con el IB de 0,71eV de la banda de valencia o de conducción. Bajo una sola iluminación solar, la eficiencia límite es del 47%. [35]
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